Spirales illusoires : quand le cerveau courbe ce qui est droit

Regardez une spirale de Fraser.

Les bandes semblent s’enrouler vers le centre.

Le contour paraît traverser les anneaux.

Pourtant, chaque grande bande revient exactement à son point de départ.

La figure est constituée de cercles concentriques.

La spirale est perçue, mais elle n’est pas dessinée.

Dans d’autres images, le paradoxe est encore plus spectaculaire.

Des anneaux immobiles semblent tourner.

Des disques paraissent glisser.

Une texture fixe paraît respirer.

Ces phénomènes ne signifient pas que la vision fonctionne mal.

Ils montrent plutôt le travail que la vision doit accomplir en permanence.

La rétine reçoit :

• des variations de lumière;
• des contours partiels;
• des contrastes;
• des déplacements causés par les yeux;
• des signaux locaux parfois ambigus.

Le système visuel doit en inférer :

• les objets;
• leurs limites;
• leurs directions;
• leur profondeur;
• leur mouvement;
• leur stabilité.

Une illusion apparaît lorsque les indices artificiels activent une solution perceptive qui serait souvent utile dans une scène naturelle, mais qui ne correspond pas à la construction physique du stimulus.

Il faut distinguer au moins trois descriptions.

Géométrie du fichier

Les coordonnées exactes :

• cercles;
• segments;
• angles;
• couleurs;
• luminances.

Image rétinienne

Elle dépend :

• de la distance;
• de la taille;
• de l’optique;
• de l’excentricité;
• du mouvement des yeux;
• de l’éclairement.

Géométrie perçue

Ce que l’observateur rapporte :

• courbure;
• inclinaison;
• convergence;
• rotation;
• expansion;
• profondeur.

L’illusion est l’écart systématique entre ces niveaux.

Cet écart peut être mesuré.

On peut demander au lecteur de régler une vraie spirale opposée jusqu’à ce que le motif paraisse circulaire.

La quantité de correction nécessaire estime l’illusion.

Une illusion de forme transforme la direction ou la courbure perçue.

Exemples :

• Fraser;
• Zöllner;
• Café Wall;
• Münsterberg;
• certaines illusions d’entrelacement.

Une illusion de mouvement ajoute une vitesse perçue.

Exemples :

• Rotating Snakes;
• Fraser-Wilcox;
• Enigma;
• Ouchi;
• Pinna-Brelstaff.

Une même figure peut combiner les deux.

Des anneaux peuvent sembler :

• spiralés;
• rotatifs;
• expansifs;
• ondulants.

Il faut donc afficher séparément :

• erreur d’orientation;
• vitesse illusoire;
• direction perçue;
• stabilité temporelle.

James Fraser a décrit en 1908 une illusion de direction souvent appelée « cordon tordu ». ^[1]

La forme classique utilise des anneaux composés de petits éléments obliques alternés.

Ces orientations locales indiquent une direction légèrement différente de la tangente réelle au cercle.

Le système visuel combine les indices.

La bande globale paraît dévier continuellement.

Comme le motif est refermé autour d’un centre, la déviation devient une spirale apparente.

Mais le contour porteur reste circulaire.

L’expérience la plus convaincante est de :

1. suivre une bande avec un pointeur; 2. colorer un anneau entier; 3. masquer les éléments internes; 4. superposer un cercle de référence.

La bande se referme.

La spirale n’était pas dans les coordonnées.

Le motif local peut être décrit comme une suite de petits segments.

Supposons qu’un contour réel possède une orientation tangentielle :

$\theta_{c}$

Les éléments internes possèdent une orientation moyenne :

$\theta_e=\theta_c+\delta$

Une estimation perceptive simplifiée pourrait mélanger :

$\theta_{\text{perçue}}=(1-w)\theta_c+w\theta_e$

où w représente le poids contextuel.

Alors :

$\theta_{\text{perçue}}=\theta_c+w\delta$

Même un petit biais répété sur toute la circonférence peut donner une direction globale fortement spiralée.

Cette équation n’est pas un modèle neuronal complet.

Elle sert à visualiser l’accumulation d’un biais local.

Un module interactif doit permettre :

• de régler l’inclinaison locale delta;
• de varier la largeur des anneaux;
• de changer le contraste;
• d’ajouter ou retirer le fond;
• de modifier la fréquence spatiale;
• de superposer les vrais cercles.

Un second curseur ajoute une vraie spirale opposée :

$r(\theta)=r_0+b\theta$

Le lecteur règle b jusqu’à ce que la figure paraisse circulaire.

La valeur de b au point d’annulation devient une mesure personnelle.

Le résultat doit rester local dans le navigateur.

Aucune interprétation clinique.

L’étude EEG de Yun et collaborateurs a comparé : ^[2]

• cercles physiques perçus comme spirales;
• spirales physiques perçues comme cercles;
• formes et cordons combinés orthogonalement.

Cette « reverse Fraser illusion » montre que le conflit ne fonctionne pas seulement dans une direction.

Le contexte local peut faire paraître :

• un cercle plus spiralé;
• une spirale moins spiralée.

La perception résulte d’un compromis entre contour global et orientation interne.

Dans l’illusion de Zöllner, de longues lignes parallèles sont traversées par de courts segments obliques.

Les longues lignes paraissent :

• inclinées;
• divergentes;
• convergentes.

L’effet dépend :

• de l’angle des inducteurs;
• de leur espacement;
• de leur orientation alternée;
• de la fréquence spatiale;
• du contraste.

Une explication unique n’est pas suffisante.

Les interactions entre unités sensibles à l’orientation, le contexte de profondeur et l’intégration des contours ont tous été étudiés.

Dans Café Wall, des rangées décalées de carrés noirs et blancs sont séparées par des lignes de mortier.

Les lignes sont parallèles.

Elles paraissent inclinées en alternance.

Le contraste local aux bordures produit de petits fragments de direction.

À une certaine échelle de filtrage, les alignements semblent former des coins ou des wedges.

Les orientations locales alternent.

Le contour global paraît onduler ou diverger.

La luminance du mortier est importante.

L’effet peut diminuer lorsque le mortier est trop clair ou trop foncé par rapport aux carreaux.

Kitaoka, Pinna et Brelstaff ont montré que plusieurs illusions d’inclinaison peuvent devenir des illusions spiralées lorsqu’elles sont disposées en anneaux concentriques.

Le principe n’est donc pas limité au cordon de Fraser.

Une petite erreur tangentielle répétée autour d’un centre peut être intégrée comme :

• spirale entrante;
• spirale sortante;
• torsion;
• ondulation circulaire.

La présence d’un centre rend la déviation particulièrement saillante.

Le cerveau cherche une organisation globale cohérente.

La vision commence par des signaux locaux.

Un champ récepteur couvre une petite région.

Il répond à certaines propriétés :

• orientation;
• fréquence spatiale;
• contraste;
• direction;
• vitesse.

Mais une spirale est globale.

Aucun petit patch ne contient nécessairement « la spirale ».

Le système doit intégrer les réponses locales sur :

• de grandes distances;
• plusieurs échelles;
• plusieurs orientations;
• plusieurs niveaux hiérarchiques.

Une illusion apparaît lorsque les indices locaux dominent ou orientent cette intégration.

Les travaux de Hubel et Wiesel ont montré que le cortex visuel primaire contient des neurones répondant préférentiellement à certaines orientations. ^[3]

Cette sélectivité permet :

• détection des bords;
• estimation de direction;
• segmentation;
• combinaison des contours.

Dans un motif de Fraser, les orientations locales sont systématiquement biaisées.

Les populations neuronales répondent donc à la fois :

• au contour circulaire;
• aux petites obliques.

La perception finale n’est pas la lecture d’un neurone.

Elle résulte d’une population et de ses interactions.

Une image peut être décomposée selon différentes fréquences spatiales.

Les hautes fréquences décrivent :

• petits détails;
• bordures nettes;
• segments fins.

Les basses fréquences décrivent :

• grandes formes;
• enveloppes;
• gradients lents.

Dans Café Wall, le motif observé après flou peut révéler des orientations diagonales qui ne sont pas évidentes à pleine résolution.

Dans Fraser, l’échelle du filtre change le poids du contour et du cordon.

Le module doit permettre d’appliquer un flou gaussien pédagogique.

Il doit préciser qu’un filtre visuel réel n’est pas simplement un flou informatique.

Le système visuel regroupe les éléments selon des principes comme :

• proximité;
• similarité;
• bonne continuation;
• fermeture;
• destin commun.

Dans Fraser, la bonne continuation peut relier des segments obliques successifs.

Dans Café Wall, des fragments locaux peuvent former des lignes implicites.

Dans Zöllner, les inducteurs perturbent le parallélisme global.

La Gestalt décrit des régularités perceptives.

Elle ne remplace pas une explication physiologique détaillée.

Un petit détecteur regardant un bord à travers une ouverture locale ne peut mesurer que le mouvement perpendiculaire au bord.

Le mouvement tangent reste ambigu.

C’est le problème de l’ouverture.

Pour reconstruire un mouvement 2D, le système doit intégrer plusieurs contours.

Dans Pinna-Brelstaff, des éléments orientés peuvent produire des composantes locales perpendiculaires au mouvement radial réel.

L’intégration donne alors une rotation relative.

Les signaux de mouvement passent par plusieurs niveaux.

V1 contient des neurones directionnels locaux.

Des zones comme MT+ intègrent :

• directions;
• vitesses;
• régions plus larges;
• segmentation du mouvement.

Les études de Rotating Snakes montrent une implication du réseau de mouvement.

Mais une activité dans MT+ ne prouve pas qu’il est l’unique origine.

L’illusion peut émerger de signaux précoces, puis être amplifiée ou interprétée plus loin.

La figure classique contient des anneaux d’éléments inclinés.

Lorsque l’image s’agrandit ou se contracte, ou lorsque l’observateur avance et recule, un mouvement radial réel existe.

Pourtant, les anneaux semblent tourner en sens opposés.

La rotation perçue est orthogonale au mouvement radial.

Le sens dépend de l’orientation des éléments.

Retourner les éléments peut inverser la rotation.

C’est une démonstration spectaculaire de la manière dont une orientation locale transforme un vecteur de mouvement.

Soit un mouvement réel radial :

$v_{r}$

Chaque élément possède un axe d’orientation phi.

Le détecteur local mesure surtout la composante normale :

$v_n=v_r\cdot n(\varphi)$

L’ensemble des composantes normales possède une composante tangentielle apparente.

Cette écriture explique l’intuition du problème de l’ouverture.

Elle ne remplace pas le modèle complet de Pinna-Brelstaff.

Le laboratoire doit afficher :

• vecteur radial réel;
• normales locales;
• composantes mesurées;
• rotation globale estimée.

Plusieurs illusions de mouvement statique utilisent des unités répétées asymétriques.

Une séquence typique de luminance peut être ordonnée autour d’un anneau.

Exemple pédagogique :

noir → gris foncé → blanc → gris clair

Les transitions ne sont pas équivalentes.

Si les réponses neurales atteignent leur maximum à des temps différents, la séquence spatiale peut produire un signal ressemblant à un déplacement temporel.

L’ordre inversé produit souvent un mouvement perçu opposé.

Rotating Snakes est une illusion de mouvement anormal particulièrement forte.

L’image est immobile.

Des anneaux semblent tourner.

Les directions alternent souvent entre anneaux voisins.

L’effet est généralement plus fort :

• en vision périphérique;
• lors d’un changement de fixation;
• après un clignement;
• lorsque le motif possède une séquence de luminance efficace;
• à certaines tailles et distances.

L’intensité varie entre individus.

Conway et collaborateurs ont montré l’importance des relations de luminance et de contraste entre éléments.

Backus et Oruç ont proposé un modèle fondé sur l’évolution temporelle différente des réponses au contraste et à la luminance.

Une intuition simple est :

$R_i(t)=A_i\left[1-\exp\left(-\frac{t}{\tau_i}\right)\right]$

où :

• $A_{i}$ est l’amplitude;
• $\tau_{i}$ la latence ou constante temporelle;
• i désigne un élément de luminance.

Si des éléments voisins possèdent des tau différents, leurs maxima ne surviennent pas ensemble.

Une séquence spatiale devient un signal de mouvement apparent.

Ce modèle est pédagogique.

Les réponses visuelles réelles sont plus complexes et adaptatives.

Un élément à fort contraste peut être traité avec une dynamique différente d’un élément à faible contraste.

L’ordre spatial :

A, B, C, D

combiné aux délais :

$\tau_{A}$, $\tau_{B}$, $\tau_{C}$, $\tau_{D}$

peut créer une séquence temporelle implicite.

La direction perçue dépend alors de l’ordre.

Le composant interactif doit permettre :

• modifier les luminances;
• voir les courbes $R_{i}$(t);
• calculer un mouvement local estimé;
• inverser l’ordre;
• neutraliser les contrastes.

L’illusion Rotating Snakes est souvent forte en périphérie.

Lorsque l’on fixe un point, les anneaux voisins peuvent sembler tourner davantage que l’anneau regardé directement.

La périphérie possède :

• champs récepteurs plus grands;
• résolution spatiale différente;
• intégration plus large;
• sensibilité temporelle particulière.

L’effet dépend aussi de la taille du motif.

Une unité trop petite peut être perdue.

Une unité trop grande peut ne plus produire l’intégration nécessaire.

Même en fixant un point, les yeux ne sont jamais parfaitement immobiles.

Ils produisent :

• microsaccades;
• dérive;
• tremor;
• clignements.

Ces mouvements déplacent le motif sur la rétine.

Otero-Millan et collaborateurs ont observé un lien quantitatif entre microsaccades, clignements et transitions vers la rotation illusoire. ^[4]

Murakami, Kitaoka et Ashida ont trouvé une corrélation entre instabilité de fixation et force de l’illusion.

Il faut présenter ces résultats avec prudence.

Une corrélation ne signifie pas que tous les mouvements oculaires causent à eux seuls l’illusion.

La formulation rigoureuse est :

• les transitoires rétiniens peuvent déclencher ou renforcer la perception;
• les microsaccades et clignements sont associés à certains épisodes;
• la dérive lente peut contribuer selon le stimulus;
• le motif contient déjà des asymétries capables de générer un signal;
• le mouvement des yeux et la structure du motif interagissent.

Le laboratoire doit simuler de petits déplacements.

Il ne doit pas prétendre reproduire une microsaccade humaine exacte.

L’étude de Conway et collaborateurs a trouvé des réponses directionnelles cohérentes avec le mouvement illusoire dans des neurones sensibles au mouvement.

Des études fMRI ont observé une activité liée à Rotating Snakes dans le réseau cortical du mouvement.

Ashida et collaborateurs ont utilisé l’adaptation directionnelle pour étudier les directions représentées.

Ces travaux soutiennent l’idée que l’illusion recrute des mécanismes ordinaires du mouvement.

Ils ne montrent pas un « centre des illusions ».

Tout le monde ne perçoit pas la même force d’illusion.

Les facteurs possibles incluent :

• âge;
• stabilité de fixation;
• sensibilité au contraste;
• acuité;
• taille du stimulus;
• éclairage;
• expérience;
• fatigue;
• écran.

Billino et collaborateurs ont observé des différences liées à l’âge dans plusieurs illusions de mouvement.

Il ne faut pas interpréter un score individuel comme état de santé.

Enigma contient des anneaux radiaux et des zones répétitives qui semblent onduler ou circuler.

Des études ont débattu du rôle :

• des mouvements oculaires;
• de l’adaptation;
• des interactions de bord;
• du réseau de mouvement.

Elle rappelle qu’une seule étiquette « illusory motion » regroupe plusieurs architectures visuelles.

Dans l’illusion d’Ouchi, un disque texturé semble glisser par rapport au fond lorsque l’image ou les yeux bougent légèrement.

Les textures du centre et du fond ont des orientations différentes.

Le système estime des mouvements différents.

Une segmentation figure-fond apparaît.

Le disque semble flotter.

Cette illusion concerne moins la spirale, mais elle clarifie l’intégration du mouvement local.

Après avoir observé un mouvement continu, une scène fixe peut sembler bouger en sens opposé.

C’est le motion aftereffect.

L’exemple classique est l’effet de la cascade.

Il dépend de l’adaptation de mécanismes directionnels.

Il ne faut pas le confondre avec Rotating Snakes.

Dans le premier cas :

• un mouvement réel est observé avant.

Dans le second :

• le stimulus statique produit directement une impression de mouvement.

Plusieurs mécanismes peuvent se combiner :

1. asymétrie de luminance; 2. latences différentes; 3. filtre temporel; 4. mouvement oculaire; 5. problème de l’ouverture; 6. intégration de la direction; 7. segmentation figure-fond; 8. adaptation; 9. attention; 10. prédiction.

Le bon modèle dépend de l’illusion.

Une théorie qui explique Rotating Snakes ne suffit pas nécessairement pour Pinna-Brelstaff ou Enigma.

Le lecteur peut construire un anneau avec une unité répétée.

Paramètres :

• quatre luminances;
• ordre;
• largeur;
• rayon;
• nombre d’unités;
• contraste du fond;
• sens;
• excentricité simulée.

Le laboratoire calcule :

• profil de luminance;
• différences locales;
• signal directionnel pédagogique;
• direction prédite.

Le résultat doit être décrit comme modèle illustratif.

Pas comme prédiction clinique.

Une expérience standard compare des stimuli.

Méthodes possibles :

Choix forcé

« Tourne-t-il à gauche ou à droite? »

Estimation

Curseur de vitesse perçue.

Annulation

Ajouter un mouvement physique opposé jusqu’à immobilité apparente.

Méthode des constantes

Présenter plusieurs vitesses réelles dans un ordre aléatoire.

Escalier adaptatif

Ajuster la compensation selon les réponses.

Le site peut utiliser une annulation simple.

Il doit afficher :

• nombre d’essais;
• incertitude;
• résultat local;
• avertissement non clinique.

Supposons une vitesse physique compensatrice omega.

Le lecteur règle omega jusqu’à ce que l’anneau paraisse immobile.

La vitesse illusoire estimée est :

$\omega_{\mathrm{illusion}}\approx-\omega_{\mathrm{annulation}}$

Cette mesure contient :

• biais de réponse;
• bruit;
• adaptation;
• anticipation.

Quelques essais ne constituent pas une expérience publiée.

Une illusion amplifie une opération perceptive.

Elle permet de tester :

• quelle variable contrôle l’effet;
• quelles zones répondent;
• quels mouvements des yeux le déclenchent;
• quelles populations le perçoivent;
• quels modèles le reproduisent.

Elle agit comme une expérience de perturbation.

Modifier une seule composante peut révéler une dépendance cachée.

L’Op Art exploite :

• répétition;
• contraste;
• moiré;
• ambiguïté figure-fond;
• luminance;
• orientation;
• instabilité visuelle.

Bridget Riley, Victor Vasarely et d’autres artistes ont produit des expériences perceptives puissantes.

L’article ne doit pas réduire l’art à un test de laboratoire.

L’intention esthétique et l’expérience culturelle dépassent le mécanisme visuel.

Les illusions servent aussi à comparer :

• humains;
• modèles de flux optique;
• réseaux prédictifs;
• modèles vision-langage.

Un modèle peut :

• prédire un vecteur de mouvement;
• classifier une illusion;
• décrire verbalement une spirale;
• échouer à distinguer stimulus et percept.

Reproduire l’effet n’implique pas reproduire le mécanisme humain.

Des modèles prédictifs ont reproduit certains mouvements illusoires.

D’autres analyses ont montré :

• forte variabilité entre entraînements;
• dépendance au contraste plutôt qu’à la luminance humaine;
• échec sur certaines variantes;
• « illusions d’illusion », où le modèle annonce un effet absent.

Une prépublication de 2026 sur des modèles de flux optique rapporte que la plupart ne produisent pas le flux correspondant à Rotating Snakes, sauf un modèle inspiré de deux canaux dans certaines simulations de saccades.

Cette étude doit être présentée comme recherche émergente, non comme consensus définitif.

Module 1 : Fraser Lab

Contrôles :

• angle local;
• contraste;
• fond;
• anneaux;
• fréquence;
• vraie spirale compensatrice.

Fonctions :

• révéler les cercles;
• tracer un anneau;
• mesurer l’annulation.

Module 2 : Tilt-to-Spiral

Choix :

• Fraser;
• Zöllner;
• Café Wall.

Transformer progressivement :

ligne → arc → anneau

Afficher l’angle local et l’organisation globale.

Module 3 : Pinna-Brelstaff

Contrôles :

• zoom réel;
• orientation des éléments;
• anneau intérieur/extérieur;
• vitesse;
• pause.

Afficher vecteurs :

• radial réel;
• tangent illusoire estimé.

Module 4 : Rotating Snakes

Contrôles :

• quatre luminances;
• ordre;
• couleur;
• taille;
• excentricité;
• micro-déplacements simulés.

Ne pas imposer d’animation forte.

Module 5 : Eye Transients

Afficher :

• image fixe;
• petite translation simulée;
• clignement simulé par fondu lent;
• courbes de réponse;
• signal de mouvement.

Aucune caméra.

Module 6 : Psychophysics

Annulation de mouvement :

• 12 essais maximum;
• ordre aléatoire;
• résultat local;
• intervalle descriptif;
• bouton effacer.

Module 7 : Human vs Model

Afficher sur les mêmes stimuli :

• géométrie réelle;
• rapport humain attendu selon littérature;
• vecteur d’un modèle pédagogique;
• limites.

Ne pas prétendre exécuter un vrai modèle neuronal si aucun modèle n’est chargé.

La spirale de Fraser n’est pas une spirale physique.

C’est précisément ce qui la rend essentielle au projet.

Elle montre qu’un observateur peut voir une structure globale qui ne figure pas dans les coordonnées.

La spirale perçue est produite par :

• orientations locales;
• contexte;
• intégration;
• organisation circulaire.

Rotating Snakes ajoute une autre couche.

La spirale n’est pas seulement faussement dessinée.

Elle semble tourner.

Le site doit conclure :

Une forme perçue n’est pas automatiquement une forme mesurée. Une dynamique perçue n’est pas automatiquement un mouvement physique. La perception est une hypothèse active sur les causes du signal.

Les spirales illusoires montrent que la vision construit.

Dans Fraser, des cercles deviennent spirale.

Dans Café Wall, des parallèles deviennent inclinaisons.

Dans Pinna-Brelstaff, un mouvement radial devient rotation.

Dans Rotating Snakes, une image fixe devient dynamique.

Ces effets ne partagent pas nécessairement une cause unique.

Ils révèlent plusieurs opérations :

• filtrage;
• orientation;
• intégration;
• latence;
• mouvement oculaire;
• segmentation;
• adaptation;
• prédiction.

La rigueur consiste à distinguer :

• le stimulus;
• l’image rétinienne;
• le signal neural;
• le percept;
• le rapport du sujet.

C’est dans cet écart que la spirale apparaît.